“做一把仿生烧瓶刷”项目学习实践

科学观念、科学思维、探究实践、态度责任是科学课程的核心素养内涵，探究实践是主渠道，科学思维是核心。项目学习能满足思维型探究的需求，引领学生在真实情境下融合多个学科知识，围绕项目主题经历设计、修改、再设计、建模来完成项目，解决实际问题。

在“做一把仿生烧瓶刷”项目学习中，教师创设项目情境，提出问题，引导学生形成探究需求，根据项目要求初步设计、建模，对初次建构的模型进行比较分类，在批判解释的过程中引发求异思维，促进对项目方案的再设计，进而在教师提供学习支架的基础上进行迭代设计，凝聚思维，对模型进行重组和创造，建构生活模型解决问题。

一、提出问题，明晰项目任务

前期研究是项目实施的重要环节，能够激发学生开启思维之门。围绕做仿生烧瓶刷这个项目，学生要先思考做这把刷子所需的材料、大致结构和功能等信息，然后利用文献检索、探究实验等方法获取所需要的知识、信息和经验，对所收集的材料进行判断和分析，为以后的项目实施奠定基础。

1.创设情境，提出问题

在实验室清洗烧瓶时，学生发现烧瓶的瓶颈细长、瓶肚较大，这样瓶肚里的脏东西用水冲不掉，用抹布又塞不进，这可怎么办？几个学生清洗许久，依旧不能清洗干净，因此主动提出：“需要一个适合清洗烧瓶的工具。”结合五年级“仿生”单元，学生已经学习了《生物的启示》《蛋壳与薄壳结构》《海豚与声呐》三课，初步认识到工程师利用生物的启示，发明了许多有利于生活生产的产品来解决生活中的问题。在此基础上，教师引导学生结合自然界事物的结构、功能及相互关系，设计制作一把可以刷烧瓶的仿生刷子。这样融入生活情境，引发思维，联结已有经验，产生解决问题的需求，自然生发项目。

课堂上，教师出示5种生活中常见的刷子，让学生从中选择合适的刷子。大多数学生选择了奶瓶刷和试管刷，给出的理由是：奶瓶刷和试管刷的长度与宽度比较适宜，而且奶瓶刷的海绵和试管刷的刷毛具有一定的弹性，能够在一定空间里压缩，既可以伸进瓶内，又可以起到清洁作用。从学生的回答中，原型的刺激使他们更进一步关注到了刷子的尺寸与材料性能的关系。

2.拆解问题，形成进阶式任务

当用奶瓶刷和试管刷尝试刷圆底烧瓶时，学生发现还是刷不到位，因为烧瓶的瓶肚比较大，刷子不能弯曲，刷不到瓶肚的每个地方。这时，教师引导学生系统考虑“做一把仿生烧瓶刷”的项目要素，把项目进行拆解，并寻找相关的学科知识与技能的支撑，使学生思维逐步由抽象走向具象，形成环环相扣的进阶式任务（如图1）。

图1就是对本项目进行问题拆解，引导学生思考这把刷子的功能、材料、结构和设计，从而形成了进阶式任务：调查需求、分析材料、结构分析、技术支撑。学生逐步明确项目中需要用到哪些学科知识与能力，在感知与探究主题有关的总体信息中明确一个或多个要素信息，并有效分析信息来源与类型，从而持续有效地解决问题。

二、模型分析，形成评价标准

模型分析能够促使学生进一步理解模型的要素与结构，是对事物本质属性的一种系统思考。学生通过对以上问题的分析与讨论，想到可以用木棍、铁丝等作为刷子把手，用海绵、魔术贴等作为刷毛，同时借助橡皮筋、双面胶、扭扭棒等作为连接工具，对脑海中的烧瓶刷进行第一次制作，并进行清洗测试。待所有小组完成1.0版的刷子制作后，教师将学生遇到的问题写在便利贴上，并贴在问题展板上，进行分类汇总，引导他们讨论解决问题的方法（见表1）。

表1中的问题充分暴露了学生对原有设想产生的思维碰撞，教师引导他们对这些问题进行分类整理，明确解决问题的方法。学生明确地感受到，在制作这把仿生烧瓶刷前需要制订一套评价标准，因此在师生合作的基础上学生制订了产品评价水平等级（如图2）。

从图2可以看出，学生以1.0版的刷子制作时发现的问题为目标，在思考交流中形成相对应的四个评价标准，再根据评价标准对模型进行螺旋式设计和修改，直至达到理想水平。其中水平1表现为优秀等级，四项标准均能达成，刷子刷烧瓶效果好；水平2表现为良好等级，基本能达成，产品有一些缺陷；水平3和水平4分别是基本合格等级和不合格等级。这样的评价标准是学生制订，促使他们针对评价标准不断修改自己的产品，体现教、学、评一体化。

三、丰富资源，促进螺旋设计

通过1.0版的刷子模型制作，学生已经意识到普通的刷子并不能起到很好地清洗烧瓶的作用，需要针对评价标准设计一款新型的工具。教师组织学生进行头脑风暴，鼓励他们积极讨论，寻找解决问题的办法，并回忆学习过的“仿生”单元，看能否从中获得启示，寻找设计的突破口。同时，教师为学生提供“蜗牛腹足吸附玻璃表面、人体舌头在口腔里旋转、植物枝条分叉状、河豚遇敌鼓气”四种生物特点，引导学生从外形、结构、功能、行为方式等方面重新设计这把仿生烧瓶刷，促使学生思维螺旋发展。学生通过小组讨论，在充分征集意见基础上开展了再设计的项目过程，创新设计出4种2.0版本的刷子（如图3）。

设计1

根据蜗牛能够吸附在光滑的玻璃表面，联想到磁铁隔着物体也具有吸力的特点，在瓶内放入一个裹着刷毛的小磁铁，瓶外用一个磁力大点的磁铁，移动瓶外大磁铁，在就可以带动瓶内的小磁铁移动，清洗瓶肚。

设计2

根据河豚遭遇攻击时往往会使身体充气变成球状的特点，思考用气球作为刷子的内部结构之一，只要在气球上粘一些刷毛，不充气时放入瓶内，充气后，带刷毛的气球鼓起来，旋转晃动就可以清洗瓶肚，如需从瓶内取出，只要将气球放气即可。

设计3

根据树杈既可以展开又可以在一定程度内弯曲的特点，联想到借助木棍来模拟树杈，用橡皮筋捆绑两根木棍来模拟树杈，这样的好处是进入瓶口时两根木棍并拢，进入瓶子后，木棍交叉展开，可以清洗瓶肚。

设计4

根据人体舌头以舌根为基点，在口腔里旋转的特点，想到把海绵的一端绑在木棍上模仿舌头在口腔内活动，转动木棍，带动海绵清洗瓶肚。

这些小组受到学习单的启发，对刷子进行再设计，不断地主动获取生物世界的信息，并将输入的信息进行加工提炼，通过设计再将内化的信息进行有效的输出，建构平面模型，让学生不断地对仿生学概念、原理、流程有了更清晰的认识，促使他们不断产生思维的火花。

四、检验模型，初步改进产品

模型检验是学生利用设计、制作的思维模型解释真实事物（原型）的关系或结构，对学生的思维起到监控和调节作用。本项目从平面图纸到立体模型，考查学生的空间转化能力和动手实践能力。学生以“产品评价水平等级”为指引，在不断调试检验和修正的过程中发现问题，并进行迭代改进。

设计1的改进

学生发现放入瓶肚的磁铁要尽可能小一些，否则包裹海绵后就无法放进瓶肚，而瓶外的磁铁要尽可能大一些，否则抓握时很费力。又有学生考虑到“价格”这一指标，想把内部的磁铁换成价格更加便宜的钢珠，测试后发现，隔着玻璃相吸时，包裹了海绵的钢珠容易掉落，最后在权衡之下还是选择了较贵的磁性巴克球。这样调整后，就可以利用瓶外的磁铁吸引瓶内包裹海绵的磁性巴克球进行滚动，从而清洗瓶肚（如图4）。

设计2的改进

学生发现利用河豚鼓气原理制作的刷子，气球外部海绵不能太厚，否则就受到瓶口直径的限制。因此，学生在气球的顶部和气球柄处粘贴适量海绵，根据瓶口的直径多次实验，确保没充气的气球能裹着海绵进入瓶肚。他们想到用长尾夹作为气球充气和放气的阀门，这样气球充气时就能带动海绵清洗瓶肚（如图5）。

设计3的改进

学生受树杈结构的启示，用橡皮筋捆绑两根木棍，将木棍伸进瓶内后进行交叉从而清洗瓶肚，但通过测试发现，木棍交叉的角度受瓶颈粗细的限制，并不能张开很大。如果这时只考虑是否可以进入瓶肚，而卷上较薄的海绵，是无法刷到瓶肚的，而增大包扎的海绵，又塞不进去。几次测试后，学生想到用皮筋捆绑的木棍，高度是可以调节的，将两根木棍处于不齐平的状态，先后进入瓶肚，再将两根木棍拉至齐平，然后张开，便可以刷到瓶肚了（如图6）。

设计4的改进

学生通过测试发现海绵太软了，虽然能够触碰瓶肚但是清洗效果并不好。学生想到需要增加刷子的硬度，又必须具有一定的弹性，能够比较自由地在瓶肚内弯曲。后来经过改进，在海绵舌头中间加了一根细铁丝，这样海绵不至于太软使不上劲，又可以轻松地弯曲，进而清洗瓶肚（如图7）。

以上四种烧瓶刷就是学生在实际测试检验中发现问题，并且利用这种思维改进形成的最终模型，解决清洗瓶肚这一项目任务，凝聚了小组成员的智慧，将思维引向深处。

五、展示交流，优化升级产品

本项目采用“漫步画廊”的展示交流方式，即每组留1人介绍，其余3人参观其他组的产品。学生在宽松、和谐的环境中展示自己的产品，介绍设计理念与测试后的功能分析，同时也能听到其他同学的评价和建议，这样做有利于后续的产品升级。

一是对刷子材料选择的再优化。例如，学生测试鼓气式烧瓶刷时，发现当气球被吹大时，有些地方刷毛覆盖不了，而且气球皮较软，在瓶内旋转力度不够，并不能像设想时那样顺利地清洗瓶肚。有学生建议用硬度较大的硅胶气球代替普通气球，将模拟刷毛的魔术贴裁剪得更小，用点点胶粘牢。

二是对刷子结构的再改进。例如，树杈式烧瓶刷一开始得票率也很高，学生都觉得此款刷子操作简单、使用方便。但是展示时，他们发现，由于烧瓶的瓶颈很细，两个刷柄受到限制，展开的角度很小，并未达到预期效果。在后期改进中，海绵的用量还得反复调试，既要防止海绵过厚塞不进去，又要保证海绵用量足够，使得树杈式刷子在适当张开的情况下依旧可以清洗瓶肚，同时两根木棍连接处（即交叉点）也需要在测试中反复调整至合适位置。

三是对刷子功能的再提升。例如，舌体式烧瓶刷虽然测试效果良好，但有一些小问题，舌体式烧瓶刷内部插有铁丝，铁丝可以在受力的情况下随意弯折，其结构较软，导致清洗力度不够。每一次问题的暴露又给了学生新的挑战，大家集思广益，提出了组合型刷子的设想，如在舌体式烧瓶刷前端加上磁铁小球，将舌体式烧瓶刷和吸附式烧瓶刷进行组合使用，进一步提升刷子的清洁功能。这样“漫步画廊”式的展示交流，既是针对探究标准的学习效果展示，又是思维的高强度碰撞，每次交流都暗含着思维的发展和递进，最终促进资源共享。

小结

一次制作仿生烧瓶刷的实践，学生经历了情境关联递推，活动螺旋进阶、思维深度发展的学习历程。学生对产品的思考与评价，一次次推动他们向深度学习迈进，真正实现科学素养的提升。

[课题：江苏省中小学教学研究第十四期立项课题“螺旋设计：小学生科学探究活动的实践研究”，编号：？2021JY14-L190]

（作者单位：江苏省溧阳市教师发展中心）

参考文献

[1]胡卫平，刘守印.义务教育科学课程标准（2022年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2022.